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[星空天文网]银河边陲的远古废墟 

发布时间:2015-08-15

  在我们银河系的外围,在那些星光暗淡的地方,有着远古遗留下来的废墟。

巨石阵。Flickr

  一旦我们在最大的尺度上观察宇宙,就会发现它是一个由星系构成的巨大网络。是星系——而非恒星——描绘出了宇宙的宏大结构。在这个宏观角度,星系就像是点缀在宇宙高速公路网上的小点。而且和真正的城市一样,星系也有丰富的个性和复杂多变的历史。

  每个星系都有故事。有些虽小,但是成长很快。有些看上去静谧安祥,但往事却不堪回首。而且大部分大星系——和大城市一样——是在古老的小星系废墟上成长起来的。我们的家园——银河系也和罗马一样,并非一日建成。远古星系的遗老遗少们分布在银河系黯淡的外围——在那里,光是如此散漫,以致于难以对它们加以研究——直到最近。

  直到过去十五年,我们才逐渐了解,几乎所有大星系都镶嵌在一个既复杂又巨大、由恒星构成的弥漫光晕中。这些光晕的直径可达数十万光年,比我们通常在照片中看到的星系盘要宽好多倍。星系晕的外围似乎是由远古星系的遗留恒星构成的,这些远古星系在很久以前就已经被摧毁。天文学家用了一个世纪的时间,才得以拼凑出这个事实。分布在这里的恒星表面光度很低,因此在大多数天文照片中,几乎看不到它们。我们可以对比下面两张照片。它们呈现的是同一对星系。第一张照片呈现的是它们在望远镜中通常的样子,第二张是在专门针对低亮度特征的巡天观测中拍摄的。很明显,第二张照片拍到了许多看不见的东西。中央星系(NGC474)周围包围着许多由恒星构成的壳状、流状结构,它们是小星系被强大的引力撕碎后产生的特征。

  椭圆星系NGC474(中)和旋涡星系NGC470(右)的斯隆数字化巡天图像。

  由“加拿大-法国-夏威夷望远镜(CFHT)”上的MegaCam相机拍摄的同一对星系,展现了它们的极低表面亮度特征。可以清楚地看到一个既复杂又庞大、由不同年龄的恒星(用不同的色彩表示)构成的星系晕。Duc / Cuillandre / CFHT / Cole

  不幸的是,这个星系并不典型。它的星系晕亮度是最高的。但是要拍得如此清晰,我们仍然费了很大劲。大部分星系的晕几乎检测不到(如银河系)。

  天空投影法绘制的银河系晕,使用了斯隆数字化巡天的数据。影像呈现了星盘外的景像。可以看到遍布其中的复杂结构(如星流或恒星团块)。

  要检测银河系或其他相似星系的晕,我们只能对单个恒星作逐一鉴别。这相当艰巨,但是自从有了现代数字化巡天,便已不再是一个不可能完成的任务。我们知道,银河系外围是相当复杂的——那里到处是从远古遗留下来的恒星流和恒星团块。有了能够构建星系晕图谱的技术,我们吃惊地发现,人类对银河系晕的了解实际上在90年前就已经开始。起初的框架当然是不完整的,但却是相当准确的。这是理性和科学方法的胜利,这个胜利可以追溯到人们还在用恒星描画宇宙结构的年代(而非星系)。

  

  1935年35岁时的扬·奥尔特。这是他护照上的照片,由莱顿大学的H. Jonker拍摄。

  1922年秋,一位不知名的荷兰博士生扬·奥尔特(对,就是那位奥尔特)发表了一篇论文,记述了一种前所未见的古怪现象——高速运动的恒星。这是奥尔特首次发表论文,但是却将带来一场与银河系,乃至整个宇宙有关的知识革命。值得一提的是,奥尔特称自己为宇宙学家(在当时)。1922年时,许多天文学家(虽然并非全部)都把银河系当成整个宇宙。当时的星图显示,太阳的位置靠近宇宙的中心。奥尔特认为,要理解这个由恒星构成的宇宙,就必须了解构成这个宇宙的个体——如恒星的运动及表现。

  虽然他本人并不知道,奥尔特成长的年代,正处于天文学发生大变革的十年。他正置身于一次可与哥白尼革命相媲美的变革浪潮中,只是持续的时间要短得多。几年后,“岛宇宙”概念——银河系以外的星系——就被证实存在。但在1922年,奥尔特对此一无所知。他只是专注于一个非常特别的问题:如何理解这些古怪的、高速运动的恒星?

   

  超高速恒星“米拉”(蒭藁增二)的紫外波段照片。由NASA的GALEX探测器拍摄。(这颗星并非位于银晕中)

  1920年代早期,人们普遍认为,和太阳一样,我们周围的大部分恒星都处于随机的运动中。天文学家知道某些恒星的运动速度较快,但是总的来说,它们呈现的是正态分布——一种复杂物理体系内的自然分布状态。令奥尔特感到吃惊的是,那些高速运动的恒星罕见程度超出了一般情况。就象旧毛衣上突兀的线头,很多人会忽略这种不规律,把它当成消遣。但在科学上,对一个极小异常的关注,常常会引发一次变革性的大发现。聪明的奥尔特抓住了这个线头。

  

  奥尔特论文(1926年)中的全天高速恒星运动方向图。关键之处在于它们都在朝同一个半球、同一个方向运动。为什么左半边没有这样的点?后来的研究表明,这是银盘在一个内含高速恒星的巨大“晕”内自转所带来的现象。高速恒星的运动方向与银盘的自转方向是相反的,就像跑步时迎面而来的风。

  奥尔特在仔细研究了高速恒星后,发现了一个令人震惊的现象:以太阳为参照,它们都在朝着大致相同的一个方向运动。具体地说,他发现这些高速恒星都在朝天球的同一个方向行进。这些恒星就像在某种星系风的吹拂下,远离太阳而去。奥尔特用了好多年,在理论学家贝蒂尔·林德布拉德的协助下,才对这一现象作出了正确解释:太阳,及其他银河系盘面内与之相似的恒星一起,正在围绕银心以一种非常快的速度旋转,而之前观测到的高速恒星并没有与我们一起运动,因此它们看起来就像跑步时迎面而来的风一样,都在朝着与太阳相反的方向前进。奥尔特和林德布拉德发现了一个让人惊骇的现象:银河系的自转。1927年,我们有了相当好的证据,表明我们这个岛宇宙实际上在围绕着一个与太阳相距甚远的中心自转。

  奥尔特-林德布拉德的发现是有史以来这一领域最重要的发现之一。但是作为一名在读博士生,奥尔特的另一个领悟更加令人震撼:他推断银河系有一个由恒星构成的晕。他在同一篇论文中指出,这些高速运动的恒星很像是位于“很远处”的“外人”,而并非位于太阳附近。这是一个大发现。他指出,这些高速运动的恒星泄露了一个秘密,即在我们这个星系的外围,存在着一个尺度更大、体积超越银盘的结构。两年后的1924年,奥尔特的研究结果显示,这些高速恒星的运动速度,同时也反映了球状星团的运动速度。同样是这些球状星团,曾经让哈罗·卡普利得出结论,认为银河系相当巨大,且其中心远离太阳。

  

  银河系晕的经典描绘:扩散的恒星和球状星团像一个光滑的半球形,包裹着薄薄的银盘和银核。NASA, ESA, A. Field (STScI)

  尽管很多研究受限于和太阳太近,天文学家在20世纪余下的时间里,还是对这些快速运动的星系晕恒星进行了更高精度的研究。银河系的全貌开始展现(如上图)。我们的太阳位于银盘内,围绕着银心以接近圆形的轨迹运动。星系晕中恒星的轨道则是快速、跳跃和随机的。所以它们可能会进入与星系相对较近的区域(靠近太阳,因此我们可以比较容易地发现它们),但是大部分时间仍然离得很远,远在太阳轨道之外。尽管初始数据仅限于和太阳比较近的恒星,但是动力学参数仍然可以让天文学家推断出它们曾经离我们相当遥远。根据第一手数据,天文学家推导出一个能够自圆其说的星系晕模型,它看起来就像上面那样,是一个光滑的,接近球形的结构,其内部分布的恒星一直会扩展到银盘以外。我们今天依然可以在天文学入门教科书中经常看到这样的图片。问题在于这张图片几乎可以肯定是错的。银河系外围其实拥有各种复杂结构。

  可能更接近真实情况的银河系晕:一个满是星流和恒星团块的复杂网络。Bullock & Johnston (2005)

  上图描绘的则是更为逼真的银河系星系晕。它是在Kathryn Johnston的协助下完成的一个基于类银河系星系融合史的模型,是我们在假定暗物质理论正确的前提下,对星系晕的分布和外形的预测。暗物质理论又称冷暗物质理论,对于解释宇宙的大尺度结构非常有效,但是在面对较小尺度(如预测星系结构的细节)时仍然会遇到困难——这意味着它可能需要以某种方式做一些修正。

  重要的是,冷暗物质是一种层次理论。根据它的预测,小型天体会首先形成,然后逐渐融合成较大天体。在这个理论中,产生昏暗星系晕的小规模融合发生得相当频繁。近年,这一预测在面对越来越多的数据时,仍能够站得住脚,意味着该理论在星系级的尺度上具有非常可靠的精准度。

  旋涡星系M31的晕。可以明显地看到远古时期融合过程遗留下来的星流和环状结构。Irwin / McConnachie / Martin

  星系晕被描画得最完整的例子可能是我们银河系的近邻——仙女座星系(M31)。我们视野中的银河系是不完整的,因为我们身处其中。而仙女座星系离我们足够远,远到我们可以看到它的全貌;同时也足够近,近到我们可以对它内部的单个恒星进行测绘。由Alan McConnachie领导的科学家小组制作的仙女座星系晕“肖像图”同样让人震惊。仙女座星系也被一个由星流、羽状结构、团块结构交织而成的复杂网络包围着——它们是远古星系的废墟。

  

  雨伞星系(NGC4651)

  在天文学中有一个成长迅速的新研究领域——“星系考古学”。这门学科的目的是研究古老星系遗留下来的恒星,以及那些早已被摧毁的星系废墟,希望藉此揭开宇宙首批星系的秘密。这种“周边”研究和“深度”研究能够互补——后者是通过遥望过去,来直接研究那些最早的星系。在很多方面,对我们所在星系的研究方式又回到了以前。正如年轻的扬·奥尔特在1922年所做的那样,我们又在通过绘制星图来研究宇宙。

信息来源: 星空天文网 | 责任编辑: 系统管理员